Home - Webthesis - Politecnico di TorinoFigura 4.32 Effetto sui Costi delle materie prime di un utilizzo di AM ..... 99 Figura 4.33 Effetto sulla Durata del i lo ommer iale dell’utilizzo

Politecnico di Torino

Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale

Tesi di laurea Magistrale

L’adozione dell’Additive Manufacturing nel settore della

componentistica auto e il suo impatto sulle performance

aziendali

Relatori accademici

Prof. Luigi Benfratello

Prof. Alessandra Colombelli

Anno accademico 2017/2018

Laureato

Eugenio Mariani

Numero di matricola: 242141

i

Astratto

L’Additive Manufacturing è una tecnologia produttiva innovativa che fa parte, più in generale, di

quella che viene considerata la quarta rivoluzione industriale: Industry 4.0.

Lo sviluppo di questa tecnologia ha già raggiunto una maturità tale da poter essere utilizzata in

diversi settori industriali e si prevede che in futuro la sua evoluzione continuerà permettendone

una diffusione ancora maggiore.

Questo elaborato si propone l’obiettivo di descrivere il funzionamento dell’Additive

Manufacturing, elencarne le principali tecniche, valutarne le implicazioni economiche e, nello

specifico, indagarne la diffusione e l’impatto economico nel settore della componentistica auto.

Il primo capitolo fornisce una descrizione generale della tecnologia ed in particolare: nel primo

paragrafo il funzionamento tecnologico, nel secondo le principali tecniche utilizzate ad oggi ed

infine le possibili implicazioni economiche e lo stato attuale della sua diffusione.

Nel secondo capitolo è presente una descrizione del settore automotive: la sua evoluzione storica,

quali sono i drivers che ne guidano lo sviluppo futuro, la sua portata economica nel nostro Paese e

una possibile struttura della filiera italiana.

Il terzo capitolo, invece, analizza più nello specifico il sottosettore della componentistica auto in

Italia e ne fornisce una possibile classificazione in categorie.

Inoltre, sono descritti i principali fattori innovativi e le relative risposte delle aziende fornitrici di

componenti; chiude il capitolo una descrizione dei risultati economici del settore nel 2017.

Il quarto ed ultimo capitolo riporta l’analisi condotta su di una specifica categoria di aziende,

classificate secondo il codice ATECO 2007.

L’analisi è composta da tre parti: uno studio sulle aziende oggetto di analisi in termini di risultati

economici, distribuzione geografica e divisione delle quote di mercato; la somministrazione di un

questionario ad un campione di queste imprese con l’obiettivo di indagare sull’utilizzo

dell’Additive Manufacturing; un’analisi econometrica avente lo scopo di comprendere quale sia

l’impatto della tecnologia sulle principali performance aziendali

ii

Sommario 1 Additive Manufacturing ........................................................................................................... 1

1.1 L’evoluzione storica e le caratteristiche del processo ........................................................ 1

1.1.1 Definizione ................................................................................................................. 1

1.1.2 L’evoluzione della tecnologia ..................................................................................... 1

1.1.3 Il processo.................................................................................................................. 3

1.1.4 Materiali .................................................................................................................... 6

1.1.5 Vantaggi e Svantaggi .................................................................................................. 7

1.2 Tecniche di Additive Manufacturing ................................................................................ 10

1.2.1 Tecniche per polimeri .............................................................................................. 10

1.2.1.1 Fused Deposition Modelling (FDM) ................................................................... 10

1.2.1.2 Selective Laser Sintering (SLS) ........................................................................... 12

1.2.2 Tecniche per metalli ................................................................................................. 15

1.2.2.1 Selective Laser Melting (SLM) ........................................................................... 15

1.2.2.2 Electron Beam Melting (EBM) ........................................................................... 18

1.2.2.3 Laser Deposition Technology (LDT) ................................................................... 20

1.3 Implicazioni economiche e diffusione della tecnologia .................................................... 23

1.3.1 Implicazioni economiche e sociali ............................................................................ 23

1.3.1.1 Economie di scala vs Economie di unità ............................................................ 23

1.3.1.2 Principi chiave della produzione con AM ed effetti sulla funzione di payoff ...... 25

1.3.1.3 La soddisfazione del cliente attraverso la customizzazione ............................... 28

1.3.1.4 Impatto ambientale .......................................................................................... 30

1.3.1.5 Responsabilità sul prodotto .............................................................................. 31

1.3.2 Applicazioni e diffusione .......................................................................................... 32

2 Settore automotive ............................................................................................................... 37

2.1 Evoluzione storica e dinamiche attuali ............................................................................ 37

2.1.1 Evoluzione storica .................................................................................................... 37

2.1.2 Dinamiche evolutive attuali ..................................................................................... 39

2.2 Portata economica del settore ........................................................................................ 41

2.3 Composizione della filiera ............................................................................................... 42

2.3.1 Le fasi della filiera .................................................................................................... 43

2.3.2 Risultati economici delle diverse fasi ........................................................................ 45

iii

2.3.3 Importanza del gruppo FCA in Italia ......................................................................... 47

2.3.4 Il cambiamento della filiera automotive ................................................................... 48

3 Componentistica auto ........................................................................................................... 51

3.1 I mestieri della componentistica ..................................................................................... 51

3.1.1 Descrizione dei mestieri della componentistica........................................................ 51

3.1.2 Portata economica dei vari mestieri della componentistica ..................................... 54

3.1.3 Rapporti con gli OEM e punti di forza dei componentisti italiani .............................. 56

3.2 I trend del settore ........................................................................................................... 57

3.2.1 Industry 4.0 .............................................................................................................. 57

3.2.2 Nuovi sistemi di powertrain ..................................................................................... 59

3.3 I risultati economici della componentistica italiana ......................................................... 61

4 Indagine sull’utilizzo dell’additive manufacturing nel settore della componentistica ............. 63

4.1 L’universo di riferimento ................................................................................................. 63

4.1.1 Distribuzione geografica nel territorio...................................................................... 64

4.1.2 Risultati economici ................................................................................................... 66

4.1.3 I leader del mercato ................................................................................................. 68

4.2 Il questionario e l’analisi delle risposte ............................................................................ 76

4.2.1 Preparazione e somministrazione del questionario .................................................. 76

4.2.2 L’analisi delle risposte .............................................................................................. 77

4.3 Analisi econometrica sulle performance aziendali ........................................................... 95

4.4 Conclusioni dell’analisi .................................................................................................. 105

RINGRAZIAMENTI ...................................................................................................................... 106

APPENDICE A ................................................................................................................................. 107

Bibliografia .................................................................................................................................. 111

iv

Lista delle Figure

Figura 1.1 Stereolitografia schema (1) ............................................................................................. 1

Figura 1.2 Selective laser melting schema (1) .................................................................................. 3

Figura 1.3 Esempio generazione file STL (1) ..................................................................................... 4

Figura 1.4 Esempio di slicing (1) ...................................................................................................... 5

Figura 1.5 costo della complessità (1) .............................................................................................. 8

Figura 1.6 Fused Depostion Modelling schema.............................................................................. 11

Figura 1.7 Selective Laser Sintering esempio (22) .......................................................................... 13

Figura 1.8 Selective Laser Sintering schema .................................................................................. 13

Figura 1.9 Esempio di componente realizzato in SLM (1) ............................................................... 16

Figura 1.10 Selective Laser Melting schema (1) ............................................................................. 16

Figura 1.11 Electron Beam Melting schema (2) ............................................................................. 19

Figura 1.12 Schema testina (1) ...................................................................................................... 21

Figura 1.13 Esempio reale di lavorazione ...................................................................................... 21

Figura 1.14 Effetti dell'utilizzo di AM sulla funzione di payoff di un’ impresa manifatturiera (4) .... 26

Figura 1.15 settori di impiego (5)................................................................................................... 32

Figura 1.16 Fatturato complessivo dovuto alla vendita di materiali per AM (6) ............................. 34

Figura 1.17 Andamento delle vendite di sistemi di AM che realizzano componenti metallici (6) .... 34

Figura 2.1 filiera automotive (7) .................................................................................................... 43

Figura 2.2 settori Ateco nelle fasi della filiera (7) ........................................................................... 44

Figura 3.1 Le principali attività svolte dai vari mestieri della componentistica (8) .......................... 54

Figura 3.2 impatto economico dei vari mestieri di fornitura(8) ...................................................... 55

Figura 4.1 distribuzione geografica per sede legale (9) .................................................................. 65

Figura 4.2 distribuzione delle imprese tra Nord, Centro e Sud Italia(10) ........................................ 66

Figura 4.3 Andamento dei ricavi di vendita negli ultimi dieci anni (10) .......................................... 67

Figura 4.4 distribuzione delle prime 100 imprese per categoria di prodotto(10) ........................... 69

Figura 4.5 distribuzione dei ricavi di vendita tra le varie categorie di prodotto(10)........................ 70

Figura 4.6 Distribuzione percentuale dei ricavi dei produttori di ‘Sistemi di propulsione e loro

componenti’(10) ........................................................................................................................... 71

Figura 4.7 Distribuzione percentuale dei ricavi dei produttori di 'Parti ed accessori per

carrozzerie'(10) ............................................................................................................................. 72

Figura 4.8 Distribuzione percentuale dei ricavi dei produttori di 'Altri componenti per

autoveicoli'(10) ............................................................................................................................. 73

Figura 4.9 Distribuzione percentuale dei ricavi dei produttori di ‘Parti per sistema frenante’(10) . 73

Figura 4.10 Distribuzione percentuale dei ricavi dei produttori di 'parti per organi di

trasmissione'(10)........................................................................................................................... 74

Figura 4.11 Distribuzione percentuale dei ricavi dei produttori di ‘Parti per organi di sterzo, di

sospensione e cerchioni’(10) ......................................................................................................... 75

Figura 4.12 Domanda 2: L'impresa fa parte di un gruppo di imprese? (11) .................................... 77

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v

Figura 4.13 Domanda 7: L'impresa fa parte di un gruppo la cui proprietà non è italiana? (11) ....... 78 Figura 4.14 Domanda 3: È un'impresa a conduzione familiare? (11) ............................................. 79

Figura 4.15 Domanda 4: Dove è allocata principalmente la sua produzione? (11) ......................... 79

Figura 4.16 Domanda 5: Qual è la strategia produttiva attualmente adottata? (11) ..................... 80

Figura 4.17 Domanda 6: Dov'è localizzata la maggior parte dei fornitori dell'impresa?(11) ........... 81

Figura 4.18 Domanda 8: L'impresa ha effettuato investimenti in tecnologie additive? (11) ........... 82

Figura 4.19 Domanda 9: Utilizzate tecnologie additive per la lavorazione di: (selezionare una o più

risposte) ........................................................................................................................................ 83

Figura 4.20 Domanda 10: Quali tecnologie additive avete adottato? (lista di diverse tecnologie) .. 84

Figura 4.21 Domanda 11: Quando ha effettuato il primo investimento in tecnologie additive?

(Specificare anno) (11) .................................................................................................................. 85

Figura 4.22 Domanda 12: Qual è l'ammontare di investimento in tecnologie additive in ciascun

anno dal 2013 al 2017? (11) .......................................................................................................... 86

Figura 4.23 Domanda 13: Quali sono stati i principali obiettivi che l'azienda si è proposta di

raggiungere con gli investimenti in tecnologie additive effettuati nel periodo 2013-2017? (11) .... 87

Figura 4.24 Domanda 14: Utilizza le tecnologie additive per:(selezionare una o più risposte) (11). 88

Figura 4.25 Domanda 17: Quali sono i motivi per non aver ancora investito in tecnologie additive?

(11) ............................................................................................................................................... 90

Figura 4.26 Domanda 18: Avete già pianificato investimenti futuri in tecnologie additive? (11) .... 91

Figura 4.27 Domanda 15: Ritiene che un produzione supportata da tecnologia additiva potrebbe

risolvere o, per lo meno attenuare, le criticità della sua Supply Chain? (11) .................................. 92

Figura 4.28 Domanda 19: Ritiene che un produzione supportata da tecnologia additiva potrebbe

risolvere o, per lo meno attenuare, le criticità della sua Supply Chain? (11) .................................. 92

Figura 4.29 Domanda 16:Quali sono o potrebbero essere gli impatti delle soluzioni tecnologiche

additive sulla vostra Supply Chain? (11) ........................................................................................ 94

Figura 4.30 Effetti significativi AM ................................................................................................. 97

Figura 4.31 Effetto sul ROS di un utilizzo di AM ............................................................................. 98

Figura 4.32 Effetto sui Costi delle materie prime di un utilizzo di AM ............................................ 99

Figura 4.33 Effetto sulla Durata del ciclo commerciale dell’utilizzo di AM.................................... 100

Figura 4.34 Effetto investimento intensivo .................................................................................. 101

Figura 4.35 Effetto sul Valore aggiunto procapite di un investimento intensivo .......................... 102

Figura 4.36 Effetto sul Risultato Operativo di un investimento intensivo ..................................... 103

Figura 4.37 Effetto sui Costi di produzione di un investimento intensivo ..................................... 104

vi

Lista delle Tabelle Tabella 1.1 Materiali utilizzati ......................................................................................................... 6

Tabella 1.2 Confronto di costo tra SLS e pressofusione (3) ............................................................ 24

Tabella 1.3 Principi chiave della produzione con AM (4) ................................................................ 26

Tabella 2.1 Ricavi totali e percentuali delle varie fasi della filiera (7) ............................................. 45

Tabella 2.2 Dati di occupazione divisi per le varie fasi della filiera(7) ............................................. 46

Tabella 2.3 EBITDA%, ROI, ROS delle varie fasi della filiera (valori mediani) (7).............................. 47

Tabella 4.1 Prime 10 imprese per fatturato(10) ............................................................................. 75

Additive Manufacturing

1

1 Additive Manufacturing 1.1 L’evoluzione storica e le caratteristiche del processo

1.1.1 Definizione

L’ Additive Manufacturing, o Fabbricazione Additiva, è una tecnologia produttiva innovativa che

consente di realizzare un oggetto finito senza la necessità di fondere materiale o di sottrarne da

una forma grezza iniziale. Nelle tecniche di Fabbricazione Additiva il materiale viene aggiunto in

maniera selettiva, strato dopo strato, coerentemente con il modello matematico del pezzo

disegnato su di un sistema CAD 3D.

La stampa 3D, altro nome con cui è nota la nuova tecnologia, rispetto alle tecniche tradizionali

consente un minore utilizzo di materiale ed una maggiore libertà nella concezione del pezzo,

ampliando indefinitamente la gamma di forme e complessità realizzabili.

Date le sue caratteristiche uniche, l’AM è stata adottata in diversi ambiti applicativi (tra i principali:

Automotive, Aerospace, Biomedicale e Gioelleria) principalmente per la prototipazione rapida e

per la produzione di piccole serie.

1.1.2 L’evoluzione della tecnologia

La nascita ufficiale dell’Additive Manufacturing risale al 1982, quando il signor Chuck Hull inventò

la stereolitografia, schema in Figura 1.1, tecnica di Fabbricazione Additiva per polimeri, fondando

la prima realtà commerciale di rapid prototyping: la 3DSystems, azienda ancora ai vertici del

settore.

Figura 1.1 Stereolitografia schema (1)


2

In questa tecnica ogni strato viene realizzato per mezzo di una sorgente laser in grado di innescare

in maniera selettiva, coerentemente con la geometria dello strato da realizzare, la reazione

termoindurente di un fotopolimero liquido, successivamente la piattaforma di lavoro, immersa

nel materiale liquido, scende di un certo delta così da consentire la lavorazione di un nuovo strato.

Il principio base di tale invenzione, la creazione di un oggetto fisico attraverso una sequenza di

strati sovrapposti, venne ripreso dalle tecniche inventate successivamente ed è valido ancora oggi.

Nel 1986 Carl Deckard, Joe Beaman e Paul Forderhase (e altri ricercatori), studiando la

stereolitografia, idearono la Selective Laser Sintering, un processo simile a quello in precedenza

scoperto, ma il fotopolimero liquido è sostituito da un termoplastico in polvere. Il processo

prevede che una sorgente laser, di maggior potenza rispetto alla tecnica precedente, fonda in

maniera selettiva lo strato di polvere interessato, successivamente la piattaforma di lavoro scende

di un certo delta ed un rullo deposita un nuovo strato di polvere pronto ad essere lavorato.

Rispetto alla stereolitografia due sono i vantaggi principali: la possibilità di realizzare parti

definitive in materiale termoplastico; la facilità di rimozione dei supporti, costituiti dalla polvere

non portata a fusione.

Nel 1988 Scott Crump brevettò la Fused Deposition Modeling, questa tecnologia consiste nel

realizzare i diversi strati sovrapposti attraverso la deposizione di un filamento di materiale

termoplastico contenuto in un bobina e quindi estruso; l’estrusione avviene mediante due testine,

una per il materiale del componente e l’altra per il materiale del supporto, che si muovono sul

piano XY e depositano i filamenti su di una piattaforma di lavoro.

Anche in questo caso il vantaggio principale è la possibilità di utilizzare un materiale termoplastico

che consente di realizzare parti definitive, Crump per sfruttare la sua invenzione fondò la

Stratasys, azienda divenuta leader nel settore.

Nel 1993 il professore Emanuel Sachs dell’MIT, Massachusetts Institute of Technology, con sede a

Boston, sviluppò la Three dimensional printing, tecnologia di stampa che permette di stampare

elementi colorati al fine di ottenere una resa foto realistica migliore. Il limite risiede nel materiale

utilizzato che non consente la produzione di parti definitive e confina l’utilizzo di questa tecnica

alla prototipazione concettuale.

Un anno di svolta per l’Additive Manufacturing è il 1995, per la prima volta la tecnologia permise

di fondere polveri di metallo e realizzare oggetti con una densità paragonabile a quella ottenibile

con l’industria tradizionale. Tale risultato è stato possibile attraverso la tecnica del Selective Laser

Melting, sviluppata dai tedeschi del Fraunhofer Institute. Il processo, di cui la Figura 1.2 fornisce

uno schema, è analogo a quello della Selective Laser Sintering con l’aggiunta di alcuni accorgimenti

dovuti alla natura del materiale metallico.


3

Figura 1.2 Selective laser melting schema (1)

Successivamente, nel 2002, venne sviluppato l’Electron Beam Melting, la tecnologia consiste nel

colpire con un fascio di elettroni, opportunamente focalizzato e accelerato, uno strato di polvere

metallica, durante l’impatto l’energia cinetica si trasforma in energia termica e permette la

completa fusione delle polveri garantendo una densità ancora maggiore rispetto al Selective Laser

Melting.

In questo paragrafo sono state citate le tecniche di Additive Manufacturing più note e consolidate

nel mercato, attualmente i ricercatori sono ancora impegnati nella ricerca di soluzioni migliorative

ed alternative alle tecnologie già sviluppate, specialmente con l’obiettivo di rendere La

Fabbricazione Additiva più adatta alla produzione di parti definitive.

1.1.3 Il processo

La Fabbricazione Additiva, in quanto processo produttivo, si compone di diverse fasi successive

che consentono la realizzazione del prodotto, durante queste fasi si generano due errori insiti

nella tecnologia stessa che si possono minimizzare, ma non eliminare del tutto (Facetting e Stair

case).

Creazione del modello matematico tridimensionale del prodotto

Il prerequisito per l’utilizzo della Stampa 3D è l’esistenza del modello matematico tridimensionale

del prodotto realizzato su di un sistema CAD, se in passato la limitata disponibilità di tale modello

costituiva un limite, oggi l’utilizzo di questi sistemi è ormai diffuso in ogni contesto di

progettazione.


4

Generazione del file STL

Per i modelli matematici nell’Additive Manufacturing si utilizza un linguaggio standard, STL

(Standard Triangulation Language). Il modello CAD 3D viene convertito in un modello tipo “Shell”

nel quale le superfici interne ed esterne sono approssimate da triangoli di differenti dimensioni, in

funzione della complessità geometrica e della risoluzione richiesta, così da ricreare il profilo

dell’oggetto, la

Figura 1.3 ne mostra un esempio. Nonostante la conversione avvenga in maniera intelligente,

ovvero mantenendo l’errore cordale costante, l’approssimazione di superfici curve con dei

triangoli genera inevitabilmente uno dei due errori sopra citati, ed in particolare l’errore di

facetting.

Orientamento del modello e generazione dei supporti

Il file in formato STL serve da interfaccia tra il modello CAD ed il Software della macchina di

Fabbricazione Additiva. Tale Software, ricevuto il file, definisce l’orientamento con cui l’oggetto

verrà realizzato e genera in automatico i supporti. I supporti hanno tre scopi: ancorare l’oggetto

alla piattaforma di lavoro durante la costruzione, proteggere le pareti laterali durante la

lavorazione, supportare le parti sporgenti.

La scelta del materiale con cui realizzare i supporti e della loro geometria deve quindi tenere conto

di differenti necessità:

Sorreggere il pezzo durante la costruzione e impedire che esso aderisca con la piattaforma di lavoro;

Essere collocato in prossimità di superfici che non richiedono finiture superficiali particolarmente elevate, in quanto la successiva rimozione incrementa la rugosità

superficiale.

Facilitare la rimozione dei supporti ultimata la lavorazione.

Figura 1.3 Esempio generazione file STL (1)


5

Esecuzione dello Slicing

La fase successiva eseguita in automatico dal Software della stampante 3D è la realizzazione delle

diverse sezioni che andranno a costituire il modello fisico. Il modello in formato STL viene fatto

intersecare con piani paralleli con normale parallela all’asse z e distanziati l’uno dall’altro di una

quantità che dipende dalla risoluzione della macchina, un esempio è riportato in Figura 1.4.

I dati risultanti sono quelli utilizzati dalla macchina per eseguire la lavorazione.

L’approssimazione delle superfici curve del modello con degli strati rettangolari crea il secondo

errore insito nella tecnologia, lo staircase, questo si traduce in una rugosità superficiale che

dipenderà dalla complessità della geometria e dallo spessore di ciascuno strato. Per minimizzare

questo effetto è possibile utilizzare lo Slicing adattivo, che adatta lo spessore dello strato alla

geometria del componente, e orientare opportunamente il pezzo.

Figura 1.4 Esempio di slicing (1)

Costruzione dell’oggetto

Effettuato lo Slicing, la macchina di Fabbricazione Additiva procede con la realizzazione del

prodotto generando uno strato sopra l’altro. Le modalità attraverso le quali avviene questa fase

dipendono dalla specifica tecnica di Additive Manufacturing utilizzata.

Attività di post-trattamento Una volta ultimata la lavorazione sono necessarie delle attività di post-trattamento come la

pulizia, la rimozione dei supporti, lavorazioni di finitura superficiale, trattamenti termici o altre. La

necessità di queste attività dipende dalla tecnica di Stampa 3D utilizzata e dall’uso a cui è

destinato il pezzo realizzato.


6

1.1.4 Materiali In completamento dell’analisi sul processo produttivo, nella tabella seguente vengono illustrati i

principali materiali attualmente utilizzati per la realizzazione di componenti dalle principali

tecnologie di Additive Manufacturing; principalmente vengono utilizzati materiali polimerici,

metallici, compositi e ceramici.

Tabella 1.1 Materiali utilizzati

Materiali Tecnologie

Fotopolimero (Resina termoindurenti) Stereolitografia, Polyjet, Project, Direct Light

Projection

Termoplastico a basso punto di fusione Drop on Demand

Termoplastico definitivo Fused Deposition Modelling, Selective Laser

Sintering

Ceramici Three Dimensional Printing, Selective Laser

Sintering

Metalli Three Dimensional Printing, Selective Laser Melting,

Electron Beam Melting, Laser Deposition

Compositi Ultrasonic Additive Manufacturing

Materiali polimerici

I materiali polimerici sono la famiglia di materiali che conta la più ampia varietà di scelta quando si

tratta di Additive Manufacturing. Le diverse tipologie sono caratterizzate da diverse proprietà tra

cui scegliere: trasparenza, colore, resistenza alla trazione, temperatura di transazione del vetro,

biocompatibilità e altre.

Una tipica classificazione delle plastiche si basa sul loro comportamento ad alte temperature, si

distinguono quindi due gruppi:

Materiali termoplastici: conservano le loro proprietà anche ad alte temperature e possono subire ripetuti processi di fusione e solidificazione.

Materiali termoindurenti: una volta raggiunto lo stato solido non è possibile fonderli nuovamente, se sottoposti ad alta temperatura vengono danneggiati.

I prezzi dei polimeri utilizzati dall’AM sono molto più alti rispetto agli equivalenti materiali utilizzati

dalle tecniche tradizionali. Nella Fabbricazione Additiva, la maggior parte di questi materiali ha un

costo che si aggira tra i $175 e i $250 per kilogrammo, mentre nelle tecniche tradizionali di

stampaggio a iniezione il costo è tipicamente incluso tra i $2-$3 per kilogrammo, significa avere un

costo della materia prima superiore di 58-125 volte.


7

Metalli

Il numero di metalli disponibili nella Fabbricazione Additiva, sebbene ancora molto inferiore

rispetto ai polimeri, è in forte aumento, ad oggi, considerando tutte le tecniche a disposizione, è

possibile utilizzare: Acciaio per utensili, Acciaio inossidabile, Leghe di Alluminio, Leghe di Titanio,

Leghe a base di Nickel, Leghe di Cobalto-Cromo, Oro, Argento ed altre.

Allo stato attuale le tecnologie riescono a realizzare componenti metallici con una densità

prossima al 100%, questa caratteristica è molto importante in quanto impedisce la creazione di

microfratture all’interno che potrebbero comportare la rottura del pezzo. Inoltre il processo di

realizzazione di componenti metallici con tecniche di AM prevede una solidificazione in tempi

ridotti rispetto alle tecniche tradizionali, questo comporta la generazione di grani di dimensione

minore aventi una distribuzione più uniforme, e di conseguenza si ottengono componenti con

proprietà meccaniche migliori.

Anche nel caso dei metalli, i materiali utilizzati nella Fabbricazione Additiva hanno un costo molto

elevato: gli Acciai e le Leghe di alluminio risultano essere i meno costosi con un range di $78-$120

per kilogrammo, le Leghe di Titanio invece sono le più costose, si va dai $340 ai $880 per

kilogrammo, le altre si collocano in mezzo.

Sebbene questi prezzi sono soggetti a variazione, e nel tempo tendono a scendere, rimangono

molto più alti rispetto agli equivalenti utilizzati nelle tecniche convenzionali.

Compositi e materiali ibridi

I materiali compositi sono realizzato unendo un secondo materiale ad una base di natura

differente, il materiale più comunemente utilizzato per fare da base è il poliammide, conosciuto

più spesso come Nylon. Alla base si aggiungono materiali come vetro, alluminio e fibre di carbonio

allo scopo di incrementare le proprietà del componente (resistenza a trazione, durezza e rigidità

tra le più comuni).

La UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing) è una tecnica in grado di produrre componenti ibridi

metallici: ad una base formata da alluminio, o rame, è possibile aggiungere, tra gli strati, un altro

materiale così da generare un componente con proprietà uniche.

Infine per applicazioni più di nicchia, è possibile anche realizzare componenti in materiale

ceramico o materiale specifico utilizzato nei processi di colata tradizionali.

1.1.5 Vantaggi e Svantaggi

L’Additive Manufacturing è un innovativo processo produttivo che si contrappone alle tecnologie

tradizionali che si basano sull’ asportazione di materiale. Nelle tecniche “sottrattive” la lavorazione

consiste nel tagliare ed asportare materiale da un pezzo grezzo di maggiore dimensione così da

ottenere un elemento di dimensioni ridotte avente la geometria voluta.


8

I diversi metodi di Fabbricazione Additiva presentano vantaggi e svantaggi, ognuno rispetto agli

altri, riconducibili alle loro specifiche caratteristiche del processo produttivo; tuttavia, mettendoli

in contrapposizione con le tecniche tradizionali, è possibile identificare una serie di benefici e limiti

riconducibili all’intera categoria.

Tra i principali vantaggi legati al processo di produzione:

La possibilità di realizzare forme illimitate con un’unica macchina di lavoro, supera un grosso limite tipico dello stampaggio dove è necessario utilizzare uno stampo per ogni

geometria che si intende ottenere.

L’assenza di attrezzature o sistemi di bloccaggio, necessari nelle tradizionali tecniche di lavorazione.

Un unico step produttivo: per passare dalla lavorazione di un elemento ad un altro non è necessario il tempo di set up per cambiare gli utensili di lavoro, le attrezzature, i sistemi di

bloccaggio e altri provvedimenti.

L’intervento da parte dell’operatore è minimo e riguarda le fasi precedenti e successive alla lavorazione, questo significa che durante la lavorazione può essere impegnato in altre

mansioni.

I tempi e i costi di realizzazione dipendono solo dalle dimensioni del pezzo e non dalla sua complessità geometrica, questo è forse l’aspetto più rilevante della Fabbricazione Additiva.

Mentre nelle tecniche tradizionali il costo per ciascuna unità aumenta in maniera

esponenziale al crescere della sua complessità geometrica, nelle tecniche additive tale

costo in funzione della complessità risulta quasi costante, come illustrato in Figura 1.5.

Figura 1.5 costo della complessità (1)


9

Invece per quanto riguarda il prodotto si ha:

Maggiore libertà nella progettazione, questo perché con l’AM si riducono i limiti progettuali legati al processo produttivo.

Gli oggetti realizzati hanno mediamente un peso minore rispetto a quelli ottenuti con le tecniche tradizionali, questo perché con le tecniche additive si aggiunge materiale solo là

dove necessario, riducendo al minimo lo scarto di materiale tipico nelle lavorazioni ad

asportazione di materiale.

Un'altra caratteristica rilevante riguarda la possibilità di costruire parti integrate, mentre nelle tecniche tradizionali era necessario produrre indipendentemente ogni singolo

componente per poi assemblarlo, con la Fabbricazione Additiva è possibile realizzare parti

integrate eliminando uno step produttivo.

Elevata personalizzazione del prodotto; questo è un elemento sempre più richiesto nel mercato del largo consumo ed è possibile in quanto per produrre elementi differenti è

sufficiente disporre del modello CAD 3D, senza la necessità di cambiare macchina o

attrezzatura di lavorazione.

Tuttavia ci sono ancora diversi limiti caratteristici di questa innovativa tecnologia, distinguibili

anche in questo caso per processo e per prodotto.

In relazione al processo si riscontra:

Dimensioni dei pezzi vincolati alla grandezza della macchina e volumi di lavoro che a causa delle modalità di lavorazione non possono essere sfruttati al massimo, fa eccezione la

tecnica Selective Laser Sintering che è in grado di sfruttare l’intero volume di lavoro.

Velocità di lavorazione inferiore rispetto alle tradizionali tecniche produttive, non paragonabili ad esempio allo stampaggio.

Ogni macchina è in grado di utilizzare una ristretta gamma di materiali, limitandone così la flessibilità di produzione.

Il limiti relativi al prodotto sono:

L’esigenza di inserire strutture di supporto, questo genera nelle zone di contatto tra il supporto e il pezzo una maggiore rugosità superficiale e la necessità di un processo di post

trattamento per separare i due elementi.

La finitura superficiale varia al variare delle diverse tecniche e anche delle macchine adottate, ma è comunque inferiore rispetto a quella ottenibile con le lavorazioni

“sottrattive”, se la finitura richiesta è particolarmente alta è necessaria quindi una

successiva lavorazione.


10

I materiali: la gamma di materiali commerciali è ancora ridotta e soltanto alcuni di questi permette la realizzazione di parti definitive; inoltre il costo di questi è elevato in quanto

sono venduti dalle rispettive aziende produttrici delle macchine.

1.2 Tecniche di Additive Manufacturing

Dal 1982, anno in cui viene collocata la nascita ufficiale della Fabbricazione Additiva, ad oggi, si

sono sviluppate numerose tecniche differenti. Ciascuna di esse possiede una serie di

caratteristiche che la rendono diversa dalle altre, tra le più importanti possono variare: i materiali

utilizzati per il componente stampato, i materiali utilizzati per i supporti, la velocità di stampa,

tolleranze e rugosità superficiali del componente stampato, volume massimo di stampa, capacità

di realizzare parti definitive o soltanto prototipi.

In questo capitolo si è scelto di descrivere le tecniche di Additive Manufacturing ritenute più

rilevanti in un contesto applicativo come quello della componentistica auto, i due criteri di

selezione scelti sono stati: capacità di realizzare parti finali o capacità di realizzare prototipi per il

settore di riferimento.

Tra le possibili classificazioni disponibili, si è scelto di adottare quella che si basa sui materiali

utilizzati dalla tecnologia.

1.2.1 Tecniche per polimeri

1.2.1.1 Fused Deposition Modelling (FDM)

La Fused Deposition Modelling è una delle tecniche di Stampa 3D più conosciute in assoluto, la sua

fama deriva dall’essere stata la prima tecnologia in grado di realizzare un componente utilizzando

un materiale termoplastico definitivo. Un’altra caratteristica peculiare è la possibilità di realizzare i

supporti di un materiale differente scioglibile in una soluzione formata da acqua e soda caustica,

rendendo più agevole la rimozione a lavorazione ultimata.

Processo

Lo stampaggio avviene attraverso l’estrusione di due filamenti di materiale differente su una

piattaforma di lavoro: le due testine, che attingono materiale da due bobine intelligenti,

muovendosi sul piano XY, depositano il materiale in maniera da comporre il primo strato;

successivamente la piattaforma di lavoro scende lungo l’asse Z permettendo alla testina di

comporre lo strato successivo. Il processo prosegue fino al completamento del pezzo, la Figura 1.6

ne mostra una rappresentazione.


11

La logica alla base del processo è semplice, tuttavia è necessario un adeguato controllo sulle sue

caratteristiche, in particolare la temperatura di estrusione deve essere adeguata: un suo valore

eccessivo provocherebbe un processo di colata che comprometterebbe la precisione della

lavorazione, una temperatura troppo bassa impedirebbe l’adesione del filamento con lo strato già

depositato.

Una volta terminata la lavorazione si procede con la rimozione dei supporti, questa attività,

favorita di solito dal differente colore utilizzato per i due materiali, si compone di due fasi:

inizialmente avviene una rimozione grossolana svolta manualmente, successivamente il rimanente

materiale di supporto viene sciolto depositando il pezzo all’interno di una vasca contenente una

soluzione formata da acqua e soda caustica.

Macchine e materiali

Le macchine che utilizzano questa tecnologia possono essere divise in due categorie: Design Series

e Production Series.

Le prime vengono utilizzate per creare i primi prototipi a valle della fase di progettazione, i valori

specifici delle loro caratteristiche variano da macchina a macchina, ma possono essere

generalizzati come di seguito:

Volume massimo di lavoro: 254x254x304mm; Spessore dello strato: 0.178mm, 0,254 mm, 0.33 mm; Precisione: decimi di mm.

Le Production Series sono macchinari di dimensioni maggiori e che permettono di realizzare i

componenti definitivi. A causa del volume di lavoro maggiore, per non rendere eccessivamente

lenta la lavorazione, lo spessore di strato utilizzato è maggiore. Le sue caratteristiche sono:

Figura 1.6 Fused Depostion Modelling schema


12

Volume massimo di lavoro: 910x610x914 mm; Spessore dello strato: .178mm, 0,254 mm, 0.33 mm, 0.58 mm; Precisione: ±0.0015 mm/mm.

I materiali attualmente disponibili sul mercato, forniti direttamente all’interno delle bobine

intelligenti sono: ABSi, PC-ISO, ABS-M30, PC, ABS-M30i, FDM Nylon 12, ABS-ESD7, ULTEM9085

resin, PC-ABS, PPSF, ULTEM 1010 resin, ASA.

Quelli elencati rientrano tutti nella categoria dei materiali termoplastici, l’ABS in particolare è un

materiale molto utilizzato nella realizzazione di componenti auto.

Vantaggi e svantaggi

Tra i principali punti di forza di questa tecnica, oltre alla già citata possibilità di realizzare

componenti definitivi e alla facilitata rimozione dei supporti, vi è l’assenza di lavorazioni di post

trattamento e l’assenza di problemi di sicurezza legati alla macchina, la lavorazione infatti avviene

all’interno della macchina e non c’è alcun contatto con l’operatore. Inoltre è una tecnologia che

permette di ottenere un componente con tolleranze dimensionali e rugosità superficiali

soddisfacenti.

I due principali limiti si possono invece ritrovare nell’impossibilità di sfruttare l’intero volume di

lavoro: non è possibile realizzare un pezzo sopra l’altro a causa dell’eccessiva difficoltà nella

rimozione del supporto, e nella limitata velocità della macchina, dovuta all’utilizzo di sole due

testine che estrudono materiale.

Date le caratteristiche della tecnologia, le principali applicazioni per cui è utilizzata sono:

Realizzazione di prototipi funzionali Realizzazione di parti definitive Realizzazione di stampi preserie: permette di ottenere stampi in grado di produrre 50-100

pezzi in materiale differente rispetto al termoplastico.

1.2.1.2 Selective Laser Sintering (SLS)

La Selective Laser Sintering è una tecnica di Fabbricazione Additiva che venne sviluppata

contemporaneamente dall’Università di Austin, con la cooperazione della società DTM, e dalla

società tedesca EOS. Questa tecnologia è una delle più diffuse sul mercato e si basa sul fondere, in

maniera selettiva, polvere di materiale polimerico per mezzo di una sorgente laser; il materiale

utilizzato è solitamente un polimero termoplastico definitivo, questo permette la realizzazione di

componenti finiti, inoltre è l’unica tecnica che permette di saturare interamente il volume di

lavoro lungo l’asse Z, consentendo la lavorazione di più componenti alla volta.


13

Il processo

Il processo inizia con la deposizione di uno strato di polvere sulla piattaforma di lavoro cui segue il

passaggio di un rullo per effettuare un livellamento della superficie. Successivamente una sorgente

laser, di adeguata potenza, proietta un raggio laser che traccia sullo strato di polvere la sezione da

realizzare così da portare a fusione le particelle polimeriche. Realizzata la sezione, l’elevatore fa

abbassare la piattaforma di lavoro di un certo delta, permettendo nuovamente l’alimentazione

della polvere e la successiva fusione. In

Figura 1.8 viene rappresentato uno schema del processo, mentre in

Figura 1.7 un esempio realistico della fusione per sorgente laser. Il processo prosegue in maniera

iterativa fino al completamento della lavorazione, a quel punto avviene l’estrazione del

componente e la successiva pulizia della polvere non portata a fusione.

Questa tecnologia ha la caratteristica di non utilizzare un materiale differente per il supporto, ma

utilizza semplicemente la polvere non portata a fusione, infatti il componente realizzato non

sprofonda in quanto le densità dei due elementi sono sostanzialmente le stesse. La possibilità di

utilizzare la polvere come supporto permette la realizzazione di più componenti alla volta uno

sopra l’altro, sfruttando così l’intero volume di lavoro lungo l’asse Z.

Al fine di ottenere una lavorazione di qualità è necessario che la camera di lavoro venga

preriscaldata ad una temperatura prossima a quella di fusione della polvere ed inoltre che operi

sotto copertura di azoto, così da evitare l’ossidazione della polvere.

Preriscaldare la camera di lavoro comporta due vantaggi:

Figura 1.7 Selective Laser Sintering esempio (22)

Figura 1.8 Selective Laser Sintering schema


14

Ridurre il ritiro del materiale in fase di solidificazione, e la conseguente creazione di cavità di ritiro, in quanto questo dipende direttamente dallo sbalzo termico generato dal raggio

laser.

Ridurre la potenza necessaria erogata dal laser, quest’ultima ha un rendimento molto basso ed erogare una potenza elevata genererebbe un costo elevato.

Tuttavia il preriscaldamento comporta che al termine della lavorazione il blocco formato da

polvere e componente si trovi ad una temperatura molto elevata; quindi è necessario attendere

che il blocco si raffreddi fino ai 30-40 gradi per procedere con la rimozione della polvere in

eccesso, poiché svolgere tale operazione ad una temperatura alta provocherebbe il rischio di

deformare il prodotto realizzato.

La rimozione della polvere, svolta manualmente, rende difficoltoso l’utilizzo di questa tecnica per

una produzione industriale. La polvere in eccesso può essere riciclata e utilizzata in una nuova

lavorazione se miscelata con della polvere vergine.


Le macchine che utilizzano questa tecnologia hanno il vantaggio di non essere soggette ad usura,

l’unica manutenzione necessaria riguarda la sorgente laser che va cambiata una volta esaurita.

Sono due i principali fornitori sul mercato di macchine che utilizzano questa tecnologia: EOS e 3D

Systems, a seconda del produttore si possono ottenere caratteristiche differenti.

I macchinari commercializzati da 3D Systems hanno le seguenti caratteristiche:

Volume di lavoro: varia dai 381x330x460 mm, delle macchine più piccole, ai 550x550x750 mm delle macchine di più grande dimensione.

Spessore dello strato: compreso tra 0.08 e 0.15 mm Velocità di lavorazione: 1.8 l/h Sorgente laser utilizzata: C02 30W, per le macchine più piccole, C02 200 W, per le

macchine di dimensioni maggiori

Due sono i principali materiali che è possibile utilizzare:

CastForm: un polistirene utilizzabile per la produzione di modelli a cera persa nella microfusione.

DuraForm: materiale corrispondente al Nylon 12, sono inoltre disponibili diverse varianti a seconda dell’aggiunta di vetro, alluminio o fibre di carbonio al fine di incrementarne le

prestazioni.

I nomi di questi materiali sono stati dati direttamente dalla ditta che li commercializza.

Per quanto riguarda le macchine prodotte da EOS si riscontrano i seguenti parametri:

Volume di lavoro: varia dai 200x250x330 mm, delle macchine più piccole, ai 700x380x560 mm delle macchine di più grande dimensione.

Spessore dello strato: 0.06mm - 0.1mm - 0.12mm, le macchine di più grande dimensione sono in grado di realizzare solo quest’ultimo valore.


15

Velocità di lavorazione: dai 7mm/h, per le macchine più piccole, fino ai 20mm/h per le macchine più grandi.

Sorgente laser utilizzata: C02 30W, per le macchine più piccole, C02 50W, per le macchine di dimensioni maggiori

Oltre al Nylon12 ed al polistirene, EOS offre altre due tipologie di materiali:

Poliammide 11; PEEK HP3: materiale particolarmente interessante per applicazioni nel settore aerospaziale

in quanto oltre a garantire elevate prestazioni meccaniche ha una temperatura di fusione

molto elevata pari a 372°C.


Ricapitolando quanto detto nella descrizione del processo, i principali vantaggi di questa

tecnologia sono: la possibilità di realizzare componenti in materiali termoplastici definitivi;

l’elevata produttività; l’assenza di materiale differente per i supporti; la possibilità di lavorare

sull’intero volume della camera di lavoro. La Selective Laser Sintering, inoltre, permette di

aggiungere nuovi componenti da realizzare a lavorazione già avviata, questa caratteristica unica

assicura una notevole flessibilità e la possibilità di eseguire parallelamente ordini di fabbricazione

pervenuti ad istanti temporali differenti.

I limiti che è possibile riscontrare sono sostanzialmente due: la ridotta gamma di materiali

disponibili (solamente due) ed i lunghi tempi necessari ad eliminare la polvere in eccesso dal

prodotto finito ed a pulire accuratamente l’intera camera di lavoro tra una lavorazione e l’altra.

In conclusione, le principali applicazioni della SLS sono:

Produzione di modelli sacrificali per la fusione a cera persa, riguarda però soltanto il 10% circa delle applicazioni;

Realizzazione di prototipi funzionali; Realizzazione diretta di parti definitive.

1.2.2 Tecniche per metalli

1.2.2.1 Selective Laser Melting (SLM)

La Selective Laser Melting è una tecnica di Fabbricazione Additiva che, analogamente alla Selective

Laser Sintering per i materiali polimerici, realizza i componenti attraverso la fusione selettiva di un

letto di polvere. La differenza di nome tra le due tecnologie ha origini storiche, in passato la

radiazione laser non consentiva di raggiungere la completa fusione delle particelle metalliche

lasciando porosità all’interno del prodotto realizzato.

Ad oggi la SLM, con adeguati accorgimenti durante il processo, riesce a produrre componenti con

una densità molto vicina al 100% e senza porosità.


16

Questa tecnica può essere considerata come alternativa ai più tradizionali processi di lavorazione

per deformazione plastica e processi di fonderia; in entrambi i casi durante la realizzazione del

componente è necessario prevedere uno strato di sovrametallo nelle zone di accoppiamento, così

da permettere la successiva finitura superficiale eseguita attraverso lavorazioni ad asportazione di

truciolo.

Il processo

Il processo inizia con la deposizione di uno strato di polvere sulla piattaforma di lavoro

successivamente livellato dal passaggio di un opportuno rullo. In seguito un raggio laser, emesso

da una sorgente laser, viene proiettato con degli specchi sullo strato di polvere, coerentemente

con la sezione da realizzare, portando a fusione le particelle metalliche interessate. Ottenuto il

primo strato, l’elevatore fa scendere la piattaforma di una quantità pari allo spessore del

successivo strato ed il processo può così ripetersi. Una volta ultimata la lavorazione è possibile

estrarre il componente e passare alla susseguente rimozione dei supporti e delle particelle non

interessate dalla fusione. La

Figura 1.10 mostra uno schema del processo.

.

In analogia alla SLS per i componenti polimerici, all’interno della camera di lavoro è necessario

realizzare il sottovuoto per evitare il fenomeno dell’ossidazione, quest’ultimo causato dalla

reazione tra l’ossigeno e le polveri metalliche al momento della fusione. Per la lavorazione di

materiali particolarmente reattivi, come le leghe di Titanio, è necessario l’impiego di Argon.

Nella SLM il letto di polvere non viene preriscaldato, ma portato a fusione direttamente dalla

temperatura ambiente, questo provoca effetti contrastanti:

Figura 1.10 Selective Laser Melting schema (1)

Figura 1.9 Esempio di componente realizzato in SLM (1)


17

I grani fusi subiscono un elevato sbalzo termico a contatto con la temperatura ambiente, la solidificazione in tempi così rapidi provoca la creazione di grani di dimensione molto

piccola che garantiscono di ottenere componenti con proprietà meccaniche migliori

rispetto a quelli ottenibili per fonderia o deformazione plastica.

Allo stesso tempo il grande sbalzo termico genera un elevato ritiro del materiale, di conseguenza, per evitare il distacco del componente dalla base su cui è allocato, è

necessario inserire una piattaforma di lavoro di un materiale compatibile con quello delle

particelle metalliche. La

Figura 1.9 mostra un esempio di componente realizzato in SLM ancora ancorato alla sua piattaforma di lavoro.

Un altro effetto del forte sbalzo termico può essere la formazione di tensioni residue all’interno del materiale, per la rimozione delle quali talvolta è necessario sottoporre a

successivi trattamenti termici il pezzo realizzato.

Terminata la lavorazione, avviene la rimozione della piattaforma di lavoro che può essere fusa e

riutilizzata, questa fase è resa complicata dall’utilizzo di un materiale resistente in grado di

impedire il distacco del componente.


Sul mercato sono presenti diversi fornitori di macchinari che utilizzano la SLM come tecnica di

fabbricazione additiva, ciascun produttore offre a sua volta diverse tipologie di macchine, questo

rende complicato generalizzarne le caratteristiche tecniche.

Al fine di offrire una rappresentazione dei parametri tecnici, di seguito sono riportati i dati relativi

alla EOS M 400 - 4, fornita dal produttore leader EOS:

Volume di lavoro massimo: 400mmx400mmx400m; Tipologia di Laser utilizzato: Yb-fiber laseri, 1kW di potenza; Velocità di costruzione: 100cm3/h

Le macchine fornite dall’ impresa EOS, leader nella produzione di macchinari che utilizzano SLM,

sono caratterizzate da un processo di costruzione nel quale il fascio d’aria viene emesso in

direzione opposta rispetto all’avanzamento del fascio laser, questo permette di ridurre al minimo

la possibilità di avere inclusioni di polvere metallica nella zona di fusione.

Tale peculiarità è stata oggetto di brevetto, per cui le altre aziende produttrici devono sfruttare un

processo nel quale il getto d’aria viene emesso nella stessa direzione del fascio laser, riducendo la

qualità del componente realizzato.

I materiali utilizzati sono numerosi: Lega di alluminio AlSi10Mg; Cobalto Cromo per applicazioni nel

biomedicale, motorsport e aerospazio; Acciaio per stampi; Acciaio inox; Lega di titanio Ti6Al4V;

Inconel IN625; Inconel 718 e Leghe Au.


18


Tra i vantaggi di questa tecnologia i più rilevanti sono: la possibilità di realizzare componenti in

materiale definitivo; l’elevata produttività; la possibilità di ottenere componenti di qualità

superiore rispetto ai tradizionali processi per fonderia o deformazione plastica e uno stato di

avanzamento tecnologico superiore alle altre tecniche di Additive Manufacturing per metalli.

Un limite, difficilmente superabile, risiede nel volume massimo confinato a circa il mezzo metro

cubo: il motivo è l’elevato peso del cubo metallico che rende difficoltosi gli spostamenti millesimali

necessari all’elevatore per svolgere il processo di costruzione.

La SLM viene utilizzata anche per la realizzazione di stampi, a fronte di un costo superiore del 10%-

15% rispetto agli stampi ottenuti con tecniche tradizionali, con questa tecnica si ottiene una

produttività ed una qualità superiore.

1.2.2.2 Electron Beam Melting (EBM)

L’Electron Beam Melting è un’altra tecnica di Fabbricazione Additiva per metalli che sfrutta il

principio di fondere in maniera selettiva un letto di polvere, tuttavia si differenzia dalla SLM in

quanto non utilizza una sorgente laser ma un fascio di elettroni.

Questa tecnologia è in grado di realizzare prototipi funzionali in materiale metallico o componenti

definitivi con una densità prossima al 100%.

Processo

Il processo di lavorazione si scompone nei seguenti passaggi:

1. Deposizione di uno strato di polvere metallica (granulometria delle polveri: 45-80 um) e successivo livellamento del letto attraverso un apposito rullo.

2. Una sorgente di elettroni, costituita da un filamento metallico (spesso in tungsteno), viene riscaldato ad una temperatura di circa 800°C; a tale temperatura il filamento rilascia un

fascio di elettroni che viene proiettato sullo strato di polvere al fine di pre-riscaldarlo e

renderlo più compatto.

3. Lo stesso filamento metallico viene poi portato ad una temperatura superiore ai 2500°C, il fascio di elettroni risultante viene accelerato da un anodo fino al raggiungimento di una

velocità pari a circa la metà della velocità della luce. Il fascio accelerato, passando

attraverso due campi magnetici, il primo con l’obiettivo di focalizzare il fascio di elettroni, il

secondo per controllarne la deviazione, viene proiettato in maniera selettiva sul letto di

polvere.

4. L’impatto tra il fascio di elettroni e le particelle metalliche converte l’energia cinetica in energia termica portando così a fusione la sezione metallica interessata.

5. Successivamente l’elevatore si abbassa e consente la lavorazione dello strato successivo. Una volta terminata la costruzione si ottiene un blocco compatto di polvere da cui è

necessario estrarre, tramite pallinatura, il componente realizzato.


19

La Figura 1.11 mostra uno schema del processo descritto.

Figura 1.11 Electron Beam Melting schema (2)

Durante il processo è necessario ottenere un sottovuoto spinto (dell’ordine di 10-5mbar) così da

evitare l’ossidazione delle polveri e la deviazione del fascio.

Il pre-riscaldamento del letto di polvere comporta due vantaggi: necessità di avere uno sbalzo

termico inferiore per arrivare alla temperatura di fusione delle polveri; la possibilità di compattare

lo strato, l’impatto tra il fascio di elettroni, opportunamente accelerato, e uno strato di polvere

non compatto farebbe saltare la polvere impedendo il raggiungimento di una qualità

soddisfacente.


La principale produttrice di macchine che adottano questa tecnologia è l’azienda svedese ARCAM,

che offre 4 tipologie di macchine: Arcam Q10plus, Arcam Q20plus, Arcam A2X, Arcam Spectra H,

questa ultima, ancora in fase di sviluppo, garantirà una maggiore produttività di lavoro rispetto

alle precedenti.

Il volume di lavoro massimo risulta essere di 350 x 380 mm (Ø/H), ottenibile con la Q20plus.

Allo stato attuale queste macchine vengono impiegate principalmente per la realizzazione di

componenti nel settore aerospaziale, ma, specialmente con la Spectra H, sarà possibile una loro

diffusione anche in altri ambiti applicativi.

I materiali disponibili sul mercato sono: lega di Titanio Ti6Al4V, lega di Titanio Ti6Al4V ELI, Titanio

grado 2, Arcam ASTM F75 Cobalto-Cromo, Lega 718.

http://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Ti6Al4V-Titanium-Alloy.pdfhttp://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Ti6Al4V-ELI-Titanium-Alloy.pdfhttp://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Titanium-Grade-2.pdfhttp://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Titanium-Grade-2.pdfhttp://www.arcam.com/wp-content/uploads/arc-024-cocr-mtrl-ds-v2.pdf


20


L’EBM permette la costruzione di componenti definitivi aventi geometrie non realizzabili con le

tradizionali tecniche di lavorazione, inoltre, se confrontata con i tradizionali processi di fusione,

garantisce una qualità del componente paragonabile ai getti ottenuti per microfusione utilizzando

un minor consumo di energia e di materiale (si evita ad esempio la necessità della materozza).

Le tolleranze e le rugosità superficiali risultano peggiori invece se confrontate con tecniche come

la SLS o SLM, oltre che con le lavorazioni ad asportazione di truciolo: nelle zone di accoppiamento

è quindi essenziale aggiungere uno strato di sovrametallo (di circa 1-2 mm) per la successiva

finitura superficiale.

Un altro limite è che la rimozione dei supporti deve essere svolta manualmente e per mezzo di una

pallinatrice, la polvere rimossa può essere miscelata con polvere vergine e riutilizzata.

Questa tecnologia trova principalmente le sue applicazioni nel settore aerospaziale, medicale e nel

manufacturing in generale.

1.2.2.3 Laser Deposition Technology (LDT)

La Laser Deposition Technology è una tecnica di Fabbricazione Additiva nettamente differente

rispetto alla SLM o alla EBM. Questa tecnologia infatti non sfrutta il principio di portare a fusione

un letto di polvere, ma consiste nell’apportare direttamente il materiale nella zona interessata

sfruttando un principio analogo a quello della saldatura.

Il differente metodo di costruzione permette di ottenere una serie di vantaggi che rendono la

tecnologia molto interessante in ottica futura, tuttavia ancora persistono delle problematiche che

ne limitano una più ampia diffusione.

Processo

Il macchinario che esegue la lavorazione è composto da una testina collocata al di sopra della

piattaforma di lavoro ed in grado di muoversi lungo il piano XY. La testina è composta da tre ugelli,

come mostrato in Figura 1.12: due ugelli sono collocati alle due estremità e forniscono un getto di

polvere metallica sulla zona interessata; l’ugello collocato al centro invece emette un fascio laser

in grado di fondere le particelle metalliche, la fusione avviene direttamente nel punto di

lavorazione. La Figura 1.13 mostra un esempio reale di lavorazione.


21

Figura 1.12 Schema testina (1)

Figura 1.13 Esempio reale di lavorazione

La logica alla base del processo è semplice, tuttavia i parametri del processo devono essere

opportunamente controllati al fine di garantire una qualità metallurgica soddisfacente degli strati

deposti. Durante il processo, in analogia con tutte le lavorazioni che operano particelle

meccaniche, è necessario utilizzare un gas di copertura nella zona interessata dalla lavorazione,

così da evitare il verificarsi dell’ossidazione.

Un grosso vantaggio, peculiare di questa tecnica, è l’elevata flessibilità sui materiali utilizzabili

durante la lavorazione stessa: infatti è possibile realizzare componenti in leghe metalliche

differenti semplicemente cambiando la natura delle particelle apportate durante la costruzione,

generando una zona di transazione continua, costituita da una miscela delle due leghe.

Nelle tecniche tradizionali invece, per realizzare componenti metallici costituiti da leghe differenti,

è necessario effettuare una saldatura, con la seguente formazione di un cordone di saldatura che

costituisce un punto di debolezza e spesso si rivela fonte di rottura.


22

Dal punto di vista geometrico, date le caratteristiche del processo, non ci sono sostanziali limiti al

volume realizzabile in quanto è la testina che si sposta sul piano ed intorno al componente in fase

di lavorazione. Tuttavia, per le stesse ragioni, sono limitate le forme geometriche realizzabili, ad

esempio risulta impossibile ottenere elementi sporgenti. Questo limite spesso viene superato

aggiungendo materiale in eccesso successivamente lavorato con le convenzionali tecniche per

asportazione di materiale.

Macchinari e materiali

Relativamente ai macchinari in commercio, poiché la tecnologia è ancora in fase di sviluppo, non

c’è un unico fornitore leader, ma è possibile identificare i quattro principali: OPTOMEC (USA),

DMD 3D (USA), DGM Mori Seiki (Giappone) e Prima Industrie (Italia).

Sia la soluzione giapponese che quella Italiana sono costituite da un sistema ibrido, quindi la

macchina è in grado di compiere in contemporanea lavorazioni di tipo additivo e lavorazioni ad

asportazione di materiale, così da ottenere un componente finito che non necessità di ulteriori

passaggi.

Non c’è un sostanziale limite ai materiali che è possibile adottare, l’unico requisito è che il

materiale metallico possa essere portato a fusione; di seguito i principali materiali adottati:

Lega di alluminio, Cobalto Cromo per applicazione nel settore biomedicale, Cobalto Cromo per

applicazioni nel settore del motorsport e dell’aerospazio, Acciaio per la realizzazione di stampi,

Acciaio inox, Lega di titanio Ti6Al4V, Inconel IN625, Inconel 718.


Date le caratteristiche del suo processo è quindi possibile riassumere i principali vantaggi di questa

tecnologia:

Possibilità di realizzare componenti definitivi in un’ampia gamma di materiali metallici; Possibilità di realizzare pezzi metallici composti da leghe differenti senza l’inconveniente

del cordone di saldatura;

Produttività maggiore rispetto alle altre tecniche additive; Assenza di vincoli sul volume massimo di lavoro;

Invece le principali limitazioni sono:

Limitata libertà geometrica nella realizzazione del componente; Necessità di effettuare la finitura tramite lavorazioni ad asportazione di materiale.

L’automotive e l’aerospazio sono i settori in cui ritrovare la maggior parte delle applicazioni di

questa tecnologia.


23

1.3 Implicazioni economiche e diffusione della tecnologia

1.3.1 Implicazioni economiche e sociali

Nel valutare la Fabbricazione Additiva come nuovo processo produttivo è indispensabile indagare

su quali possono essere le implicazioni economiche che derivano da una sua adozione, quali

differenze si generano rispetto all’utilizzo delle tecniche tradizionali, come varia il rapporto con il

cliente e l’impatto ambientale.

1.3.1.1 Economie di scala vs Economie di unità

Dal punto di vista economico, la differenza principale che si constata tra tecnologie tradizionali e

tecnologie additive è che i due processi sfruttano paradigmi economici diversi. Nei processi

tradizionali, semplificando, i costi di produzione si dividono in costi fissi, molto elevati, ma comuni

a tutte le unità prodotte, e in costi variabili, ridotti e riferibili alla singola unità. A causa di questa

struttura di costo, produrre poche unità risulta essere molto costoso, mentre produrre quantità

elevate permette di dividere gli alti costi fissi su un numero maggiore di pezzi ottenendo costi

unitari molto bassi, questo fenomeno viene definito Economia di Scala ed è molto sfruttato nella

produzione in serie. Al contrario, nell’Additive Manufacturing i costi più rilevanti sono quelli

variabili, di cui la voce principale è la materia prima nonostante la tecnologia consenta di ridurre

gli sprechi; questo significa che il costo unitario non varia al variare della quantità prodotta. Il

costo della materia prima attualmente risulta essere molto elevato, anche a causa dell’esclusiva

concessa dai brevetti, limitando così la diffusione della tecnologia.

Al fine di comprendere meglio quali possono essere le differenze economiche tra processi

tradizionali e additivi, si riporta di seguito un caso di studio contenuto nel saggio “Economics of

additive manufacturing for end-usable metal part”, scritto da Eleonora Atzeni e Alessandro Salmi,

nel quale viene effettuato un confronto tra il costo di un componente prodotto con pressofusione

ad alta pressione ed uno realizzato con selective laser sintering.

Come descritto in Tabella 1.2, nel caso di studio sono stati considerati quattro fattori che

contribuiscono a generare il costo di produzione del singolo componente: costo del materiale,

costo dello stampo (per la pressofusione) e costo di preparazione del processo (per la SLS), costo

del processo e costo di post trattamento.

Nello specifico il caso di studio analizzava i costi per la realizzazione di un carrello di atterraggio di

un aeroplano.


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Tabella 1.2 Confronto di costo tra SLS e pressofusione (3)

Selective Laser Sintering Pressofusione ad alta pressione

costo del

materiale

costo dello

stampo/

costo di

preparazion

e del

processo

costo del

processo

costo di

port-

trattamento

I risultati dello studio sono chiari. Produrre un numero di componenti tendenti all’infinito con il

processo di pressofusione, sfruttando le economie di scala, genera un costo unitario di circa 20€,

viceversa, realizzare un’unica parte con lo stesso processo costa più di 20.000€.

Utilizzando invece la fabbricazione additiva il costo di un componente si aggira intorno ai 500€,

qualsiasi sia il numero di unità prodotte.

Il punto di indifferenza calcolato, con alcune ipotesi, si attesta sulle 42 unità; nel calcolo non sono

state inserite alcune considerazioni rilevanti come il tempo necessario per l’attrezzaggio nel caso

di pressofusione, questo ritardo sull’inizio della produzione genera un costo difficilmente

stimabile.

Come già descritto, la voce più importante di costo nel caso di additive manufacturing è la materia

prima, l’andamento sul mercato di questo costo influenzerà in futuro la diffusione della

tecnologia.

Tuttavia, da una ricerca condotta dall’Università di Loughborough, emerge come, per piccoli

volumi di lavoro, non è preciso affermare che con l’utilizzo delle tecniche di AM è impossibile

sfruttare le economie di scala. Al contrario, la ricerca ha quantificato e dimostrato che, sebbene

con tassi di riduzione del costo molto inferiori rispetto a quelli ottenibili nelle tecniche tradizionali,


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anche la Fabbricazione Additiva può sfruttare tali economie aumentando l’efficienza del processo

grazie a volumi di lavoro maggiori. In particolare la ricerca è stata effettuata considerando le

tecniche che utilizzano il letto di polvere, ma è stato dimostrato che è possibile espandere i

risultati anche alle altre tecnologie.

Ogni volta che si intende realizzare un componente è necessario pre-riscaldare il letto di polvere e

successivamente aspettarne il raffreddamento a lavorazione ultimata, questo comporta costi e

tempi di attesa. Con volumi di lavoro maggiori invece, è possibile andare a realizzare più

componenti alla volta durante lo stesso processo di lavoro, sostenendo gli stessi costi e tempi

precedenti, ma divisibili su più unità prodotte.

1.3.1.2 Principi chiave della produzione con AM ed effetti sulla funzione di payoff

Di seguito viene proposto un risultato della ricerca ” Economic Perspectives on 3D Printing”

condotta da Christian Weller, in collaborazione con Frank T. Piller e Daniel Wentzel, in particolare

viene riportato lo studio del possibile impatto dell’additive manufacturing sulla funzione di profitto

di un’ impresa monopolista.

Lo studio riportava quattro fattori principali di distinzione tra la fabbricazione additiva e i

tradizionali processi di manifattura flessibile: “l’AM è un macchinario versatile di produzione”,

“customizzazione e flessibilità gratis”, “complessità gratis” e “il lavoro di assemblaggio richiesto è

ridotto”.


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La Tabella 1.3 è una traduzione dell’originale contenuta nella ricerca e fornisce una descrizione di

questi quattro fattori.

Tabella 1.3 Principi chiave della produzione con AM (4)

l’AM è un macchinario

versatile di produzione Prodotti finiti rapidamente disponibili con un margine di costo

costante (no economie di scala)

Disponibilità locale di risorse produttive versatili con interfacce standardizzate.

Produzione diretta dal modello matematico 3D.

customizzazione e flessibilità

gratis La customizzazione del disegno di un prodotto non genera costi e

tempi aggiuntivi in fase di produzione.

Flessibilità nel volume e nella tipologia di prodotto senza subire costi e tempi aggiuntivi dovuti al set-up delle macchine.

Non sono necessari utensili o stampi

complessità gratis Possibilità di aumentare la complessità del disegno senza incorrere in costi aggiuntivi in fase di produzione.

Ridotti vincoli sul prodotto. Un aumento nella varietà di prodotti non genera costi aggiuntivi

il lavoro di assemblaggio

richiesto è ridotto Possibilità di realizzare prodotti che integrano già più

componenti

Un numero di step produttivi coinvolti inferiore Necessità di un minore intervento manuale all’interno del

processo produttivo

Questi principi chiave sono stati poi confrontati con la funzione di payoff definita da Milgrom e

Roberts che descriveva il profitto generato da un’impresa manifatturiera caratterizzata da

produzione flessibile.

In particolare nella ricerca si è valutato per ogni parametro che costituisce la funzione di payoff, se

l’adozione dell’AM abbia un effetto positivo (segno +) o negativo (segno -); la funzione con gli

effetti considerati è riportata in Figura 1.14.

Figura 1.14 Effetti dell'utilizzo di AM sulla funzione di payoff di un’ impresa manifatturiera (4)


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Prima di tutto, attraverso l’adozione dell’ AM, il prezzo dei prodotti (p) potenzialmente potrebbe

essere fissato più in alto poiché un prodotto altamente customizzato e realizzato in maniera da

rispondere alle specifiche esigenze del cliente incrementa la disponibilità a pagare da parte dei

consumatori.

Da un punto di vista produttivo, la fabbricazione additiva permetterebbe di realizzare in maniera

più frequente: miglioramenti di prodotto (q), cambiamenti nel design (d) e set-ups (m) senza

incorrere in costi aggiuntivi legati al set-up delle macchine (e,s).

Inoltre, la possibilità di produrre direttamente dal modello CAD 3D, unito a processi di tipo design-

to order o make-to order, consentirebbe di ridurre i tempi complessivi per la realizzazione

dell’ordine (a, b, ω, t).

Il fatto di processare direttamente gli ordini potrebbe anche significare l’eliminazione dei

magazzini (ι) e la riduzione dei costi di capitale(κ); ancora, tempi di attesa minori per i consumatori

potrebbero permettere anche di diminuire la contrazione della domanda (δ).

Il processo produttivo, attraverso l’utilizzo dell’AM, risulterebbe altamente automatizzato, ciò si

tradurrebbe in meno lavoro manuale e in una conseguente diminuzione di: lotti difettosi (r),

rottami (w) e costi per rilavorazioni (ρ).

Infine, la domanda base per ciascun prodotto potrebbe risultare aumentata grazie alla flessibilità

produttiva e alla capacità di adattarsi a cambiamenti nelle esigenze dei consumatori.

Tuttavia, l’utilizzo dell’AM genera alti costi legati ai materiali e al consumo energetico, questo

impatta negativamente sul costo marginale di produzione (c).

Inoltre, altri fattori che limitano la competitività di questa tecnologia sono: i possibili sprechi di

produzione dovuti a problemi con la qualità del prodotto, la limitata gamma di materiali

disponibili, i limiti sul volume di produzione di ciascun macchinario e la necessità di avere il giusto

know-how e manodopera qualificata

Le ipotesi alla base del risultato mostrato in Figura 1.14 sono: incremento dei costi marginali di

produzione moderato, tempi di lavorazione non eccessivi, una qualità dei prodotti realizzati

sufficiente e un’impresa in condizioni di monopolio.

Sotto queste ipotesi, l’utilizzo dell’additive manufacturing risulterebbe quindi avere un impatto

positivo sui profitti dell’impresa monopolista.

L’introduzione dell’impresa in un contesto competitivo sicuramente complica la valutazione

dell’effetto sulla sua funzione di profitto, ma le considerazioni fatte sui singoli parametri

rimangono comunque valide.

Appropriabilità del valore creato

Relativamente invece all’appropriabilità del valore creato, da una parte la necessità di acquisire

conoscenza in merito alla nuova tecnologia e i diritti sui brevetti ancora attivi rendono costoso

l’accesso al nuovo processo produttivo, dall’altra l’AM riduce le barriere in ingresso nei vari settori

manifatturieri in quanto, senza dover cambiare l’impianto produttivo e/o senza dover acquisire


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nuove conoscenze tecniche, chiunque è in grado di cambiare tipologia di produzione entrando in

un settore diverso rispetto al precedente.

La nuova tecnologia pone anche una sfida alla tradizionale protezione fornita dai brevetti.

La possibilità di riprodurre un oggetto dotandosi semplicemente di una stampante 3D, magari a

basso costo, e del relativo file CAD 3D in formato elettronico facilita enormemente la riproduzione

di copie di prodotto.

1.3.1.3 La soddisfazione del cliente attraverso la customizzazione

Nel seguente paragrafo verrà approfondito il tema, già anticipato, della possibilità offerta dall’AM

di avere una produzione in grado di rispondere maggiormente alle specifiche esigenze del cliente.

Ci sono mercati dove non ha senso customizzare il prodotto e sono sufficienti componenti

standard per soddisfare le esigenze del cliente, in questi contesti i processi produttivi che

sfruttano le economie di scala sono i migliori.

Altri mercati invece, o per la loro natura o per le richieste del cliente, richiedono una maggiore

customizzazione: ad esempio questo accade nella costruzione di aeroplani, perché il numero di

prodotti realizzati è basso, oppure in mercati come la gioielleria, in quanto si realizzano beni di

lusso che devono soddisfare le specifiche esigenze del cliente.

Un aspetto caratteristico di questa tecnologia è la flessibilità di produzione: nel passare dalla

realizzazione di un lotto ad un altro non è necessario cambiare attrezzature, utensili o addirittura

impianto produttivo, è sufficiente inserire nel software della macchina il nuovo disegno; questa

caratteristica garantisce una produzione in grado di soddisfare le diverse esigenze dei clienti in

tempi e costi ridotti rispetto a quanto ottenibile con le tecniche tradizionali, fornisce inoltre uno

strumento senza rivali per la fase di prototipazione di un nuovo prodotto in fase di sviluppo.

Questa caratteristica permette di occupare mercati di nicchia nei quali è necessario soddisfare le

differenti esigenze del cliente senza incorrere in costi eccessivi. Nel settore della gioielleria, ad

esempio, è possibile realizzare un gioiello secondo le richieste fornite direttamente dal cliente,

oppure nel settore medicale è possibile realizzare protesi che si adattano perfettamente alla

fisiologia del paziente. Ovviamente una così ampia possibilità di customizzare il prodotto deve

essere gestita da parte dell’azienda in quanto stravolge i modelli più tradizionali, ad esempio è

necessario definire: il mezzo attraverso il quale il cliente può esplicitare le proprie richieste;

quanto valore viene aggiunto a seguito di eventuali modifiche rispetto al modello standard;

quanto il cliente è disposto a pagare per un prodotto simile.

La realizzazione di componenti su misura in alcuni settori può generare un incremento delle

performance del prodotto e di conseguenza la soddisfazione del cliente stesso. Nelle tecniche

tradizionali spesso la geometria del pezzo realizzato è un compromesso tra il disegno ideale e ciò

che realisticamente è possibile ottenere, riducendo così le performance del prodotto. L’AM supera

questo problema grazie alla libertà di geometrie realizzabili, massimizzando così le performance

ottenibili.


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A fronte di queste caratteristiche emerge che, per la produzione in serie di grosse quantità di

pezzi, le tecniche tradizionali risultano ancora oggi le più convenienti, mentre l’Additive

Manufacturing può trovare impiego nella realizzazione di prototipi o nella produzione di piccoli

lotti, specialmente dove è richiesta un’elevata customizzazione del prodotto.

Prototipazione rapida

Un prototipo è la rappresentazione fisica di quello che sarà il prodotto finale, viene realizzato

durante il processo di sviluppo di un nuovo prodotto al fine di testare e ottimizzare il prodotto

stesso, anche se esso verrà realizzato in fase produttiva con un processo differente.

Il termine “prototipazione rapida” nasce proprio con la Fabbricazione additiva ed evidenzia uno

dei vantaggi principali dell’utilizzo di questa tecnologia in questa fase, ovvero la possibilità di

realizzare il prototipo in tempi molto mi